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見證 SpaceX 太空霸業的啟端:簡談要讓全世界都能上網的「星鏈計畫」

活躍星系核_96
・2019/06/01 ・2014字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/國家實驗研究院國家太空中心
    整合測試組組長陳維鈞博士、電機組副研究員陳秀莉博士
    2019.05.25 上午2:30於美國佛羅里達州

5 月 23 日晚間 10 點 30 分,SpaceX 公司在卡納維爾角空軍基地第 40 號發射台,成功發射了攜載 60 枚星鏈計畫 (Starlink) 衛星的獵鷹九號火箭,發射 1 小時 2 分 47 秒後 60 枚衛星順利與第二節火箭分離。

SpaceX 獵鷹九號火箭發射實況
攜載60枚星鏈(Starlink)衛星的獵鷹九號火箭發射實況。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

讓所有地方都能上網!野心勃勃的「星鏈計畫」

星鏈計畫是 SpaceX 公司要以一大群通訊衛星星系,在地球上方的太空軌道上,建置低成本高性能的網際網路通訊系統,最終目的是讓地球上的每個居民都能在任何地方上網,尤其是現在地球上仍有一半將近 40 億人無法上網,這個網路通訊系統特別具有意義。

SpaceX 公司計畫以 11,900 枚衛星達成任務目標,這個數量是 62 年以來升空繞行地球太空軌道衛星總數的大約 2 倍,是仍在正常運轉衛星總數約 8 倍。2019 年美國聯邦通信委員會已通過 SpaceX 公司申請的衛星頻段與數量如下表:

表一、星鏈 (Starlink) 衛星數量、軌道與頻段。(資料來源:維基百科)

SpaceX 公司預計 2019 年起 6 年內可達成一半衛星數量的部署,9 年內達成全部部署,花費成本估計 100 億美元,預估可在 2025 年營收 300 億美元。

於軌道運行展開太陽能板的星鏈(Starlink)衛星。
(圖片來源:SpaceX Twitter)

這次上空的六十枚衛星,用上了哪些新技術?

這次發射的 60 枚衛星,每枚重量僅有 227 公斤,只有地球同步軌道通訊衛星重量的 20 分之一,主要目的有:

一、新衛星技術的驗證,包括:使用霍爾效應推進器與燃料『氪』、雙向高通量傳輸的天線、新展開型態太陽能板、高精準度星象儀、自動防撞、碎片追蹤、除役後回歸地球時在大氣層燒毀,

二、驗證新型態無線網際網路資料傳輸,

三、衛星與元件的失效率統計,作為日後衛星系統與元件設計的改進,進而尋找更低的製作成本。即使有著較低製作成本,SpaceX公司仍在這一次 beta 版 60 枚衛星的飛試一共動用了6,000人研製與測試衛星,顯示人力仍是研製衛星的重要資產。

在實現各項新技術驗證方面,可藉由發射實況舉例來說明,根據下圖,SpaceX 公司在推特上發布火箭整流艙內 60 枚衛星堆疊的照片,顯示兩排各 30 枚衛星從下到上堆疊形成四方柱體,並由四個側邊的中心點由上到下固定於下方火箭酬載轉接環上,每枚衛星有三個固定點。

60 枚 Starlink 衛星在獵鷹九號火箭整流罩艙內推疊的型態。
(圖片來自SpaceX Twitter)

再由 SpaceX公司在 Youtube 上發布的獵鷹九號發射影片觀察 60 枚衛星釋放方式,參考下圖,不同於傳統分離裝置採逐一彈射方式與火箭分離,而是採群體自由釋放,而且又要兼顧發射時固定衛星的強度,其分離機構相當耐人尋味,猜測應該是使用電能釋放形狀記憶合金裝置 (SHAPE MEMORY ALLOY, SMA, ACTUATOR)為基礎的設計。

60枚Starlink衛星與獵鷹九號第二節火箭分離狀況的影片連續圖,影片可以看出衛星左下右下角與上側中央的固定分離環。(圖片來自SpaceX Youtube影片截圖)

衛星新型態無線網際網路資料傳輸在衛星之間是採用雷射鏈結,與地面鏈結則採用 Ku 和 Ka 波段相控陣列模組及數位處理技術。SpaceX公司所採用衛星間光學雷射鏈結,其頻率高於 10,000 千兆赫 (10T Hz) 適用在太空中長距離高速通訊。

如此網際網路通訊優勢有:

一、高頻寬,比目前手機通訊高 1000 倍,

二、低訊號傳遞延遲率,比數位衛星電視快 25 倍,

三、覆蓋率幾乎普及全球、甚至涵蓋高山與海洋地區,一枚 550 公里高度的衛星約有直徑 870 公里的覆蓋範圍,乘以部署衛星總數後總覆蓋面積為地球表面積的 14 倍以上。

衛星性能若如預期,SpaceX 的太空霸業由此開始

目前與 SpaceX 公司一樣在發展低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的競爭對手有:OneWeb、三星、Telesat 與 Amazon,每家均已宣布星系計畫規模與營運模式。低軌道寬頻衛星網路通訊系統的發展趨勢使得市場取消部分對地球同步軌道通訊衛星的投資,足以顯示其重要性。

今年五月 SpaceX 公司繼 2018 年 2 月 22 日發射兩枚實驗型衛星後,率先發射高數量群集衛星升空;加上回收第一節火箭與酬載整流罩的技術,使其擁有其他公司發射載具五分之一甚至十分之一的低成本發射優勢。如果這次 60 枚衛星展示了預期的性能,SpaceX 公司就具有領先的地位並佔有發展優勢,想利用低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的營運獲利,來發展登陸火星計畫的可行性就變得相當高,那麼現在就是 SpaceX 公司太空霸業的開始了。

曠時攝影顯現獵鷹九號發射升空形成突破天際的射線。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

資料來源

 

  • 文章內使用 SpaceX 的相片經 SpaceX 同意使用。
文章難易度
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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5 月 23 日晚間 10 點 30 分,SpaceX 公司在卡納維爾角空軍基地第 40 號發射台,成功發射了攜載 60 枚星鏈計畫 (Starlink) 衛星的獵鷹九號火箭,發射 1 小時 2 分 47 秒後 60 枚衛星順利與第二節火箭分離。

SpaceX 獵鷹九號火箭發射實況
攜載60枚星鏈(Starlink)衛星的獵鷹九號火箭發射實況。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

讓所有地方都能上網!野心勃勃的「星鏈計畫」

星鏈計畫是 SpaceX 公司要以一大群通訊衛星星系,在地球上方的太空軌道上,建置低成本高性能的網際網路通訊系統,最終目的是讓地球上的每個居民都能在任何地方上網,尤其是現在地球上仍有一半將近 40 億人無法上網,這個網路通訊系統特別具有意義。

SpaceX 公司計畫以 11,900 枚衛星達成任務目標,這個數量是 62 年以來升空繞行地球太空軌道衛星總數的大約 2 倍,是仍在正常運轉衛星總數約 8 倍。2019 年美國聯邦通信委員會已通過 SpaceX 公司申請的衛星頻段與數量如下表:

表一、星鏈 (Starlink) 衛星數量、軌道與頻段。(資料來源:維基百科)

SpaceX 公司預計 2019 年起 6 年內可達成一半衛星數量的部署,9 年內達成全部部署,花費成本估計 100 億美元,預估可在 2025 年營收 300 億美元。

於軌道運行展開太陽能板的星鏈(Starlink)衛星。
(圖片來源:SpaceX Twitter)

這次上空的六十枚衛星,用上了哪些新技術?

這次發射的 60 枚衛星,每枚重量僅有 227 公斤,只有地球同步軌道通訊衛星重量的 20 分之一,主要目的有:

一、新衛星技術的驗證,包括:使用霍爾效應推進器與燃料『氪』、雙向高通量傳輸的天線、新展開型態太陽能板、高精準度星象儀、自動防撞、碎片追蹤、除役後回歸地球時在大氣層燒毀,

二、驗證新型態無線網際網路資料傳輸,

三、衛星與元件的失效率統計,作為日後衛星系統與元件設計的改進,進而尋找更低的製作成本。即使有著較低製作成本,SpaceX公司仍在這一次 beta 版 60 枚衛星的飛試一共動用了6,000人研製與測試衛星,顯示人力仍是研製衛星的重要資產。

在實現各項新技術驗證方面,可藉由發射實況舉例來說明,根據下圖,SpaceX 公司在推特上發布火箭整流艙內 60 枚衛星堆疊的照片,顯示兩排各 30 枚衛星從下到上堆疊形成四方柱體,並由四個側邊的中心點由上到下固定於下方火箭酬載轉接環上,每枚衛星有三個固定點。

60 枚 Starlink 衛星在獵鷹九號火箭整流罩艙內推疊的型態。
(圖片來自SpaceX Twitter)

再由 SpaceX公司在 Youtube 上發布的獵鷹九號發射影片觀察 60 枚衛星釋放方式,參考下圖,不同於傳統分離裝置採逐一彈射方式與火箭分離,而是採群體自由釋放,而且又要兼顧發射時固定衛星的強度,其分離機構相當耐人尋味,猜測應該是使用電能釋放形狀記憶合金裝置 (SHAPE MEMORY ALLOY, SMA, ACTUATOR)為基礎的設計。

60枚Starlink衛星與獵鷹九號第二節火箭分離狀況的影片連續圖,影片可以看出衛星左下右下角與上側中央的固定分離環。(圖片來自SpaceX Youtube影片截圖)

衛星新型態無線網際網路資料傳輸在衛星之間是採用雷射鏈結,與地面鏈結則採用 Ku 和 Ka 波段相控陣列模組及數位處理技術。SpaceX公司所採用衛星間光學雷射鏈結,其頻率高於 10,000 千兆赫 (10T Hz) 適用在太空中長距離高速通訊。

如此網際網路通訊優勢有:

一、高頻寬,比目前手機通訊高 1000 倍,

二、低訊號傳遞延遲率,比數位衛星電視快 25 倍,

三、覆蓋率幾乎普及全球、甚至涵蓋高山與海洋地區,一枚 550 公里高度的衛星約有直徑 870 公里的覆蓋範圍,乘以部署衛星總數後總覆蓋面積為地球表面積的 14 倍以上。

衛星性能若如預期,SpaceX 的太空霸業由此開始

目前與 SpaceX 公司一樣在發展低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的競爭對手有:OneWeb、三星、Telesat 與 Amazon,每家均已宣布星系計畫規模與營運模式。低軌道寬頻衛星網路通訊系統的發展趨勢使得市場取消部分對地球同步軌道通訊衛星的投資,足以顯示其重要性。

今年五月 SpaceX 公司繼 2018 年 2 月 22 日發射兩枚實驗型衛星後,率先發射高數量群集衛星升空;加上回收第一節火箭與酬載整流罩的技術,使其擁有其他公司發射載具五分之一甚至十分之一的低成本發射優勢。如果這次 60 枚衛星展示了預期的性能,SpaceX 公司就具有領先的地位並佔有發展優勢,想利用低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的營運獲利,來發展登陸火星計畫的可行性就變得相當高,那麼現在就是 SpaceX 公司太空霸業的開始了。

曠時攝影顯現獵鷹九號發射升空形成突破天際的射線。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

資料來源

 

  • 文章內使用 SpaceX 的相片經 SpaceX 同意使用。
文章難易度
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版